TDCK-II测控技术综合实验台

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1、天波科技 精品教仪 TDCK-II测控综合实验台 实验指南 天津市天波科达科技有限公司 前 言 在您使用“天波”的教仪产品的同时，请您将使用的情况、发现的问题、提出的建议、希望的功能，反馈给“天波”，“天波”将根据您的信息，为您与其他客户提供更好的服务。 天津市天波科达科技有限公司 地址：天津市卫津路92号·天津大学内

2、 电话：022－ 邮编： 传真：022－ 联系人：黄志勇 E-mail:tjdxhzy@ 一、概 述

3、 近年来，随着教学改革的不断深入，各专业，特别是工科专业对素质教育的要求越来越高，但各高校的理论与实践严重脱节，基于此现象，充分征求广大教师意见。我们研制开发了综合实验台，它采用多种传感器，获取压力、液位、温度、流量等四种基本物理量，并通过智能仪表、数据采集卡，将测量信号转送到计算机，再利用工控组态软件完成虚拟显示、数据处理和实时控制等功能。 TDCK-II测控综合实验台是结合国内外先进教学理念，吸收国内外同类实验装置的优点，经过反复论证、精心设计的新一代过程控制专业、自动化专业、测控专业及相关专业的教学平台仪器。 本实验台完全采用工业生产中实际使用的传感器、仪表、执行器

4、等工业级元件，在一个管路循环系统上实现过程控制。该装置可以利用手动按钮、智能仪表、PLC等进行控制，亦可利用上位PC机，结合TDZT工控组态软件，实现实时监控。同时从教学实际出发，所有的传感器、仪表、执行元件、水箱-管路等完全可视化，直观集成于整体实验台上，不仅结构紧凑利于观察调试，且有利于提高学生学习兴趣。 本实验台是开放系统，每个实验模块都经过精心设计，在学生课程教学中，不仅可以用作教学演示仪器，进行传统的一些典型的验证性实验。同时也着重考虑设计型和综合型实验的操作性、扩展性：如在毕业设计中实现教学与实际工作相结合；教师根据用人单位要求来指导学生改变仪表参数、数据处理方式、程序结构等，变

5、实验台为工业现场，充分激发学生思考的积极性，提高解决问题能力，使学生尽快适应实际工作要求。 系统特点： ★ 控制系统的被控量包含温度、流量、液位三大热工参数。 ★ 执行器中既有电磁比例调节阀类执行器，又有加热控制器等电力拖动类执行器。 ★ 各种控制算法和调节规律在开放的实验平台上都可以实现。 ★ 具有多种工业控制方式，控制过程清晰。 控制方式有：手动调节控制、PLC控制、计算机控制 ★ 模拟工业现场，具有真实可靠性、直观性。 ★ 传感器、变送器、执行器、电路全部采用IEC标准信号传输。 ★ 实验数据及图表在TDZT软件中很容易存储及调用，便于实验后

6、的分析。 学生在本实验装置进行实验后，可掌握下列内容： 1、 测定控制对象特性的方法 2、 流程工业常用传感器初步了解 3、 自动仪表的初步使用 4、 TDZT、PLC编程软件基本使用 5、 单回路控制系统的参数整定 6、 复杂回路控制系统的参数整定 7、 控制参数对控制系统品质指标的影响 8、 控制系统的设计、计算、分析等综合能力。 实验的基本程序： 1、 明确实验任务 2、 提出实验方案 3、 进行实验操作、作好观测和记录 4、 整理实验数据并分析，撰写实验报告 在进行本书中实验时，尽量让学生独立完成，教师给以必要指导，以培养学生的实验动手能力。要作好

7、各实验，应做到：实验前有准备；实验中有条理，实验后有分析。 二、系统组成 TDCK-II测控综合实验台集多参数控制为一体主要由模拟控制对象系统、控制台和上位机及控制软件系统等三大部分组成。模拟控制对象系统流程见下图： 测控技术综合实验台系统对象控制流程图 1、模拟控制对象系统 由上、中、下三个水箱、小锅炉及相应管路（含管路上手动阀组成）. 1.1、系统基本实验装置 水箱 上、中两个水箱均采用牙克力进口透明有机玻璃，结实耐用，便于学生直接观测液位的变化。水箱结构非常独特，有三个槽，分别是缓冲槽，工作槽，溢水槽。水箱容积、外形优

8、化设计，被控对象特性突出，使实验效果更为理想。 模拟锅炉 ：本装置采用模拟锅炉进行温度实验，此锅炉采用不锈钢精制而成，设计巧妙，有二层组成：加热层（内胆）和冷却层（夹套 ）。做温度单回路实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。冷却层和加热层都有温度传感器检测其温度。 1.2、系统执行装置 水泵 水泵用来整个系统的供水，管道式结构安装。本实验的循环介质采用清水，管路直径为10mm，实验台采用丹麦格兰富UPA－90 AUTO型单级循环水泵。噪音低，不会影响教师授课。寿命长，减少使用的麻烦。 比例阀 比例阀是本系统重要部件，将控制模块送来的标准控制电信号

9、转化为相应的阀门开度，且阀门开度与输入信号成线性关系，安装在管道上，配合用来控制、调节流量。我们选用德国进口比例阀，具有性能稳定可靠，控制精度高，使用寿命长等优点。 电磁阀 在本系统中，电磁阀安装在主管道上，起到控制管路的通断与转换作用。我们选用台湾生产零压力开启直动式电磁阀，具有性能稳定可靠，动作灵敏，使用寿命长等优点。 1.3、系统检测传感装置 涡轮流量传感器 涡轮流量传感器是一种速度式流量计，它以动量矩守恒原理为基础，传感器内叶轮借助于液体的动能而旋转。此时叶轮叶片使检出装置中的磁路磁阻发生周期性变化，因而在检出装置线圈两端就感应出与流量成正比的电脉冲信号，经前端放大器放大后

10、送至显示仪表。选用LWGY-10型高精度涡轮流量传感器，具有精度高，动态特性好，可测量脉冲流，耐高压，压力损失小，使用温度范围宽，测量范围大等优点。 温度传感器 温度测量采用热电阻元件(感温元件)。它是利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量。 液位传感器 用来对上水箱和中水箱的液位进行检测，其核心变送器采用进口原装陶瓷电容传感器，具有抗过载、冲击能力强，稳定性、可靠性高，测量精度高等优点。信号变送输出按标准的二线制，经校正、补偿、放大输出与测量相对应的4~20mA标准信号，送二次仪表显示出实时液位值,范围0~400mm。 2、控制台 控制台由手动控制按钮、智能仪

11、表、PLC控制、信号接口、ADAM模块、固态继电器控制方式选择、比例阀控制方式选择等部分组成，整个控制台的设计力求在满足教学的同时能让老师与学生都深刻体验到方便和快捷。我们用方便教学的视角来审视产品的每个细节。 图1 注释：图1为设备控制面的右侧部分。图中“伏特表头”为伏特表位置，用来显示此设备总电源的电压，伏特电压表下面是此实验设备的总电源开关与指示灯，总电源开关为钥匙开关，开关顺时针旋转为开，反向为关；“内部电源指示灯区”显示设备内部的3个电源是否正常工作，与具体控制无关；“手动”、“PLC”、“模块”、“采集卡”分别为此套实验设

12、备的四种控制方式的选择按钮开关,在做实验时要按照要求按下相应的控制方式的按钮（具体操作参见使用注意事项）；“手动控制区”为设备执行机构手动控制的按钮与显示执行机构正常运行的指示灯，各手动按钮按下到“1”位置为对应设备通电工作，按下到“0”位置对应设备断电停止；“温度”、“液位”、“流量”分别代表温度显示仪表、液位显示仪表、流量显示仪表，其下面对应的“输入”分别为各个仪表的输入信号端子，右侧还有仪表电源的开关；仪表开关下面为驱动电路板的电源开关；“传感器信号输入”是各个传感器采集并转换后的电压信号，包括液位传感器、流量传感器和温度传感器，传感器信号可以通过导线连接到仪表、ADAM模块、PLC等，

13、接线时注意红为正，黑为负，每个传感器信号端子下面上各个传感器的电源开关，而右侧是各个传感器的总电源开关，一个仪表只可以同时接入一路传感器信号，但在计算机内却可以看到所有打开传感器开关的传感器采集到的数据。 图2 图2为控制面板左侧示意图。图中最右侧分别为固态继电器的控制方式的选择、比例阀的控制方式的选择及比例阀电源开关。自动控制时把“自动控制”下的端子与“输入控制” 下的端子相连，仪表SSR输出时把“仪表SSR输出”下的端子与“输入控制”下的端子相连。若使用比例阀时请将比例阀开关打开，比例阀的控制分别有采集卡或PLC的D/A输

14、出信号控制，根据实验选择不同的连接方式；“PLC”位置为设备安装PLC S7-200的位置。“PLC模拟量输入”下面是传感器信号进入PLC的端子，PLC最多可以同时进入4路模拟量；“ADAM模块”为安放ADAM模块的位置，其下方分别为与模块模拟量输入和数字量输出的接线端子以及模块与工控机进行连接的串口位置。“外接数字量输出”对应的端子中1~3位为备用输出通道；4位为控制主动泵端子；5位为控制副动泵端子；6位为控制电磁阀1端子；7位为控制电磁阀2端子；8位为控制加热器端子；9位与10位为数字量输出的公共负端；11位与12位分别为24V电源的正负端。“外接模拟量输入”端子对应的的端子中1、11与1

15、2位为模拟量的公共负端；2位为上水箱液位正端；3位为下水箱液位正端；4位为主回路流量正端；5位为副回路流量正端；6位为内胆温度正端；7位为夹套温度正端；8位为冷进温度正端；9位为冷出温度正端；10位为热出温度正端。“串口”为从工控机串口位置引出的串口延长线。此处为232传输方式。 注意：此套设备中所有接线端子均为红为正，黑为负。切记不要接错。此外此套设备的空气开关处于控制柜的左下方。 一、 仪表读数 1. 温度数显表可以通过导线把仪表下的一组插口分别连接传感器信号接口下的5个温度传感器，从而显示5个位置的温度中的一个，正接正，负接负，并把对应的传感器开关K拨上。 2. 液位数显表可以通

16、过导线把仪表下的插口分别连接传感器信号接口下的液位传感器，正接正，负接负，并把对应的传感器开关K拨上，从而分别显示两个水箱的液位。 3. 流量数显表可以通过导线把仪表下的插口分别连接传感器信号接口下的流量传感器，正接正，负接负，并把对应的传感器开关K拨上，从而分别显示主动泵和副动泵出水的流量。 二、 按钮 2.1、控制按钮 ●采用带有自锁指示灯功能的按钮，安全可靠，保证操作人员的人身安全。 ●按钮的布局合理，充分考虑到了操作人员的操作习惯，操作起来方便快捷。 2.2、智能仪表 智能仪表采用先进的ASIC芯片及制造技术，将常规仪表的硬件接口电路和多功能模块化的仪表软件，高度集成于专

17、业ASIC之中，从而达到高可靠、稳定性好、功耗低的工业仪表设计标准。开放式的仪表模块结构；数字调零调幅的校准技术；掉电参数保留；多重抗干扰设计等功能。 2.3、 S7-200 PLC PLC由于结构紧凑、功能强大、使用方便而应用于各种自动化系统。随着技术的发展，PLC的功能和可靠性的不断提高。因而在中小控制系统中的应用越来越广，成为中小系统的主流控制器。西门子PLC产品在国内市场推广较早，是国内应用最广泛的PLC产品之一。S7-200 PLC作为西门子PL系列产品中的小型PLC，由于具有紧凑的设计，低廉的价格以及强大的指令，使得S7-200 PLC可以近乎完美的满足小规模的控制任务，从而在

18、各行业自动化项目中广泛应用。 3、上位机及控制软件系统 TDCK-II测控综合实验台上位计算机可以根据用户的要求配置不同的组件。TDZT是一套基于Windows平台的，用于快速结构和生成上位机监控系统的组态软件系统，可以运行于Microsoft Windows 95/98/NT/2000等操作系统。 三、使用注意事项 1、开始实验前，检查所有按钮是否处于弹开状态及面板插孔无连线，一切确定无误后。请先开启计算机，再将实验控制台总电源打开。实验结束后，应先将实验控制台回到上述指定位置后，将实验控制台总电源旋钮关断后断电后，再关闭计算机。务必遵守此操作顺序，以免出现意外。 2、当所做实验为

19、采集卡控制或模块控制时，应先开机进入相应实验的运行环境，使系统对设备自动进行初始化，应在按下对应的控制方式后，最后按下“驱动板电源开关”。关闭时则先关“驱动板电源开关”(仅与采集卡控制或模块控制有关，其他控制禁止操作)，再弹起采集卡控制或模块控制方式。而在进行PLC控制和手动控制的时候不按下“驱动板电源开关”按钮。 3、本实验台在每次进行控制实验时，应按下传感器电源开关，因仪表显示和进入计算机的信号是独立的，虽然只能显示3个实际值，但是请将每个采集量开关全部打开，计算机才能读到所有的模拟量。另外在转换接入仪表的模拟量时，请将相应的开关关闭再打开。 4、在实验暂停期间，应将阀门关闭，防止水箱

20、内的水回流。 5、在小锅炉内胆无水的情况下，绝对不要打开加热器。 6、其它未尽事项请参照具体实验指导书。 四、安全注意事项 1、本实验台的配电箱内置漏电保护装置，可自动切断电源。 2、使用本实验台时请牢固接地，以免造成漏电危险。 3、本实验台在通电使用时请勿触摸配电箱内电气元件，以免造成触电危险。 4、本实验台在使用过程中请严格按照使用说明书使用，以免造成仪器损坏，乃至人身事故发生。 如果本实验台在使用时发生不良情况，请勿擅自改动，请及时与我们联系。 “TDCK-II测控综合实验台”实验目录 实验一、实验装置的基本操作和演示实验 ………………………………………12

21、实验二、TDZT工控组态软件熟悉 ………………………………………………13 1． TDZT实时数据库组态实验 2． TDZT图形动画、报表、曲线组态实验 3． TDZT设备通讯组态实验（与数据采集卡） 实验三、PLC编程软件的熟悉实验 ………………………………………………16 实验四、液位传感器的零点迁移和性能测试 ……………………………………19 实验五、智能显示仪的调校 ……………………………………………………21 实验六、比例调节阀的校验 ……………………………………………………25 实验七、单容上水箱特性的测试 ……………………………………………

22、……26 实验八、单容液位（上水箱）PID控制实验（TDZT） ………………………29 实验九、S7－200 PLC与TDZT组态软件通讯实验 …………………………33 实验十、单容液位（上水箱）PID控制实验（PLC） ………………………36 实验十一、双容下水箱液位定值PID控制 ……………………………………38 实验十二、双容下水箱液位—液位串级控制 ……………………………………39 实验十三、上水箱液位流量控制 …………………………………………………41 实验十四、锅炉内胆温度定值控制（仪表）……………………………………43 实验十五、锅炉内胆温度断续控制……

23、……………………………………………44 实验十六、换热器静态特性实验……………………………………………………47 实验一、实验装置的基本操作和演示实验 一、 实验目的 1. 了解系统结构与组成。 2. 了解实验装置的基本操作原理。 3. 通过演示实验熟悉实验装置各部分的工作情况。 二、 实验设备 TDCK-II测控综合实验台。 三、 实验步骤 1. 仔细阅读TDCK-II测控综合实验台产品使用说明书。 2. 开启实验装置。 1) 将实验装置电源插头接到220V市电电源。 2) 按下启动按钮。 3. 打开计算机，运行“TDCK-II测控综合实验台实验”。 4. 进入

24、演示实验运行环境，如图所示： 封面 5. 进入“实验装置的基本操作”演示界面。 6. 将实验装置工作方式选择开关拨到计算机控制方式。 7. 点击画面中各个泵、加热器、电磁阀，观察各部件的动作情况。 实验二、TDZT工控组态软件熟悉 一、 实验目的 1. 初步了解TDZT软件。 2. 学习TDZT软件工控组态的方法。 3. 完成一个简单的控制系统的工程组态。 二、 实验装置 1. TDZT软件通用版。 2. TDCK-II测控综合实验台。 三、 实验内容与步骤 1. TDZT实时数据库组态实验 在TDZT中的数据不同于传统意义的数据或变量，它不只包含了变

25、量的数值特征，还将与数据相关的其它属性（如数据的状态、报警限值等）以及对数据的操作方法（如存盘处理、报警处理等）封装在一起，作为一个整体，以对象的形式提供服务。这种把数值、属性和方法定义成一体的数据称为数据对象。 TDZT用数据对象来表述系统中的实时数据，用对象变量代替传统意义的值变量。把用数据库技术管理的所有数据对象的集合称为实时数据库。实时数据库是TDZT的核心，是应用系统的数据处理中心，如下图所示。 实时数据库 数据对象的集合构成实时数据库 用户窗口 以图形动画曲线等形式可视化数据 主控窗口 管理用户窗口 管理运行策略 维护数据库 运行策略 以不同的形式和方法操作实

26、时数据库 设备窗口 从外部硬件设备读取数据进入数据库或控制设备输出数据 系统各个部分均以实时数据库为公用区交换数据，实现各个部分协调动作。设备窗口通过设备构件驱动外部设备，将采集的数据送入实时数据库；由用户窗口组成的图形对象，与实时数据库中的数据对象建立连接关系，以动画形式实现数据的可视化；运行策略通过策略构件，对数据进行操作和处理。 构造实时数据库的具体方法和步骤包括： 1) 数据对象的定义。 2) 数据对象的类型。 3) 数据对象的基本属性。 4) 数据对象的存盘属性。 5) 数据对象的报警属性。 定义数据对象的过程，就是构造实时数据

27、库的过程。数据对象的定义在组态环境工作台窗口中完成。 数据对象定义之后，应根据实际需要设置数据对象的属性。TDZT把数据对象的属性封装在对象内部，作为一个整体，由实时数据库统一管理。对象的属性包括基本属性、报警属性和存盘属性。基本属性则包含对象的名称、类型、初值、界限（最大最小）值及工程单位等项内容。定义对象名和数据类型可参照TDZT图形动画、报表、曲线组态实验的内容。 2. TDZT图形动画、报表、曲线组态实验 要完成一个实际的应用系统，必须先用TDZT的组态环境，图标为，进行系统的生成工作，然后用TDZT的运行环境，图标为，来解释执行组态结果数据库。TDZT系统组态的全过程包括：

28、1) 建立新工程。 2) 构造实时数据库。 3) 生成图形界面。 4) 定义动画连接。 5) 主控窗口组态。 6) 设备窗口组态。 7) 运行策略组态。 8) 组态结果检查。 9) 新工程的测试。 10) 新工程的提交。 例：建立一个工程，要求描述将一个水箱里的水排入水池中，在水箱和水池之间用一个阀门控制是否排水的动画过程。具体参见帮助目录下“TDZT快速入门”之“TDZT样例详解”。 3. TDZT设备通讯组态实验(数据采集卡基本属性和通道连接设置) 信号经数据采集卡的转换，输送入计算机系统，再由TDZT组态软件操作和读写数据采集卡的数据。设备窗口内设有“设备工具箱”

29、，用户从中选择某种构件，赋予相关的属性，建立系统与外部设备的连接关系，即可实现对该种设备的驱动和控制。设备窗口通过设备构件把外部设备输送的数据处理后送入实时数据库，或把实时数据库中的数据输出到外部设备。 TDZT设备中一般都包含有一个或多个用来读取或者输出数据的物理通道，亦称为设备通道，如：模拟量输入输出装置的输入输出通道、开关量输入输出装置的输入输出通道等等。设备通道是数据交换用的通路，由用户指定和配置数据输入到哪儿或从哪儿读取数据以供输出，即进行通道连接。通道连接是将每个通道对应的数据对象与通道相互连接，实现通道数据与实时数据库的沟通。用到的通道周期设为1，不用的要设为0。 设备调试属

30、性页，使用户在设备组态的过程中，能很方便地对设备进行调试，以检查设备组态设置是否正确、硬件是否处于正常工作状态。同时，在有些设备调试窗口中对D/A通道调试时，在通道值一列中，输入指定通道对应电压值（单位：mV）或电流值(单位：mA)，系统自动将其送入接口卡输出，设备是否正常工作主要是靠观察输出的电压值或电流值是否正确，对A/D通道主要是靠观察采集进来的数据和实际的情况是否相符，对数字输出口，也可在通道值一列设置0或1控制，可以直接对外部设备进行控制和操作。 根据实际应用的需要，设置数据处理内容，把采集来的数据转换成需要的工程量，对通道数据可以进行八种形式的数据处理，包括：多项式计算、倒数计算

31、、开方计算、滤波处理、工程转换计算、函数调用、标准查表计算、自定义查表计算，可以任意设置以上八种处理的组合。输入通道按处理方法内的数字按钮，即可把对应的处理内容增加到右边的处理内容列表中，按“上移”和“下移”按钮改变处理顺序，按“删除”按钮删除选定的处理项，按“设置”按钮，弹出处理参数设置对话框，其中，倒数、开方、滤波处理不需设置参数，故没有对应的对话框弹出。处理通道是指要对哪些通道的数据进行处理，可以一次指定多个通道，也可以只指定某个单一通道（开始通道和结束通道相同）。 实验三、PLC编程软件的熟悉实验 一、 实验目的 1. 熟悉STEP7-Micro/win32编程软件的基本

32、操作。 2. 掌握PLC的基本编程方法。 二、 实验设备 TDCK-II测控综合实验台。 三、 实验原理 STEP7-Micro/win32编程软件是基于Windows操作系统的软件，它支持32位的Windows95，Windows98，WindowsNT使用环境。其它具体内容参见《在线帮助》和《在线使用入门手册》，从帮助菜单中或按F1健可以得到所需的帮助信息。进入STEP7-Micro/win32编程软件的界面如下图： 四、 实验步骤与内容 1. 开启实验装置。 1) 将实验装置电源插头接到220V市电电源。 2) 按下启动按钮。 3) 将实验装置工作方式选择开关

33、打到PLC档。 2. setp7-wicro/win32编程软件的基本操作 1）s7-200PLC的CPU工作状态的改变。 PLC具有两种操作模式：停止及允许模式。在停止模式下，您可以创建/编辑程序。不能在停止模式下执行程序，而在运行模式下可执行程序。而且，在运行模式下，您可以创建、编辑以及监控程序操作及数据。为您提供调试帮助，加强程序操作及确认编程问题的能力。 单击运行按钮可以使PLC进入运行模式，停止按钮可以使PLC进入停止模式。 2) PLC程序的上传和下载 程序的上传和下载：程序编写完成并经编译检查无误后要下载到PLC中才能运行，同时PLC中的原有程序也可以通过上传命令显

34、示给用户。按下工具条中的按钮可对PLC进行上传程序操作操作，按下工具条中的按钮可对PLC进行下载程序操作操作。（注意：进行上传或下载程序操作时要使PLC处于STOP工作方式。） 实验四、液位传感器的零点迁移和性能测试 一、 实验目的 1. 了解液位传感器零点的迁移。 2. 测试和分析液位传感器的特性。 二、 实验设备 1. TDCK-II测控综合实验台。 2. 万用表一只。 3. 直尺一把。 三、 实验原理 a b c 1 2 3 h P(v) 图4－1 液位传感器 1. 液位传感器零点迁移 在使用液位传感器测量水箱的液位

35、时，其压强P与水箱液位高度H之间有着如下的关系： P＝ρ×g×H 式中ρ为液体密度，g为重力加速度。在“无迁移”时，即H＝0，作用在传感器的压强应该等于零。然而，在实际应用中，由于多种原因常会出现当H＝0时，P≠0的情况，即零点迁移，如图4－1中的直线（1）、（3）所示。H=0时，变送器的输出不为理论最小值；H=Hmax时，变送器的输出不为理论最大值。零点迁移的方法就是改变P（0）的位置，使得输出与液面满量程一致。因此迁移的实质是改变变送器的零点（如图4-1的a，b，c各点所示），迁移的同时改变了测量范围的上下限，相当于测量范围的平移，但不会改变量程的大小。 2. 液位传感器的线性度和偏

36、差 任何测量过程都存在一定的误差，因此检测时必须知道精确程度，以便估计测量结果与真实值的差距，即估计测量值的误差大小。精确度不仅与绝对误差有关，而且还与其测量范围有关。 变差是指在外界条件的情况下，对被测量在测量范围内进行正反行程（即被测参数逐渐由小到大和逐渐由大到小）测量时，被测量值正行和反行所得到的两条特性曲线之间的最大偏差。 线性度是表征输出量与输入量的实际校准曲线与理论直线的吻合程度。 四、 实验步骤 1. 传感器的零点迁移 1) 实验装置工作方式选择开关拨到手动控制方式。打开手动阀1、2、10，关闭其它所有手动阀，启动干扰泵向上水箱注入适量的水或打开排水阀放水，并在

37、TDZT设备窗口的设备调试栏里观测通道所对应的信号电压变化。（仅观察现象，不要作调整；已在仪表显示中作补偿。） 2. 传感器性能测试 1) 打开手动阀1、2、10，关闭其它所有手动阀。 2) 打开主动泵并调整手动阀2的开度向上水箱缓慢地注入水。从水位由20mm升至100mm过程中，依次在20mm、40mm、60mm、80mm、100mm、120mm、140mm、160mm、180mm、200mm等测试点处测出传感器输出电压大小，记录并完成下表。（每到一个指定液位要关闭手动阀4后再纪录数据，以免水位下降。） 3) 关闭手动阀1、2、10，利用手动阀15让上水箱缓慢排水。当水位由200mm

38、下降到20mm的过程中，依次在200mm、180mm、160mm、140mm、120mm、100mm、80mm、60mm、40mm、20mm、等测试点处测出传感器输出电压大小，记录并完成下表。 测量 实际测量信号(mm) 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 显示 显示实测值 mm 正行程 反行 误差 （实测－显示）mm 实测引用误差％ 正行程 反行程

39、 实测基本误差％ 实测变差％ 五、 实验报告要求 1. 完成上面的记录表格。 2. 分析并列出传感器的相关静特性指标。 六、 思考题 1. 传感器主要技术指标有哪些？如何测量它们的数值？ 2. 传感器动态特性取决于什么因素？ 实验五、智能显示仪的调校 一、 实验目的 1. 了解AI-708（控制温度仪表）、501（密码808）系列智能显示仪的工作原理及仪表结构特点。 2. 掌握AI-708（控制温度仪表）、501（密码808）系列智能

40、显示仪的调校方法。 二、 实验仪器及设备 1. TDCK-II测控综合实验台。 2. 直尺一把。 三、 仪表特点及主要技术指标 1. 仪表特点 1） 输入采用数字校正系统，内置常用热电偶和热电阻非线性校正表格，测量精度高达0.2级。 2）采用先进的AI人工智能调节算法，无超调，具备自整定（AT）功能。 3）采用先进的模块化结构，提供丰富的输出规格，能广泛满足各种应用场合的需要。 4）人性化设计的操作方法，易学易用。 5）全球通用的100~240VAC输入范围开关电源或24VDC电源供电。 6）通过新的2000版ISO9001质量认证。 7）经第三方权威机构检测获得CE认

41、证标志，抗干扰性能符合在严酷工业条件下电磁兼容（EMC）的要求。 2. 主要技术参数 1) 输入规格（一台仪表即可兼容） 热电偶：K、S、R、T、E、J、B、N、WRe3-WRe25、WRe-WRe26 热电阻：Cu50、Pt100 线性电压：0~5V、1~5V、0~1V、0~100Mv、0~60Mv、0~20mV等；0~10V（需在MIO位置安装I3模块） 线性电阻：0~80欧、0~400欧（可用于测量远传电阻压力表） 2) 测量范围 K（-100~+1300℃）、S（0~1700℃）、R（0~1700℃）、T（-200~+390℃）、E（0~1000℃）、J（0~1200℃

42、）、B（600~1800℃）、N（0~1300℃）、WRe3-WRe25（0~2300℃）、WRe5-WRe26（0~2300℃）、Cu50（-50~+150℃）、Pt100（-200~+800℃） 线性输入：-9990~+30000由用户定义 3) 测量精度：0.2级（0.2%FS±0.1℃） 4) 分辨率：0.1℃（当测量温度大于999.9℃时自动转换为按1℃显示），可选择1℃ 5) 温度漂移：≤0.01%FS/℃（典型值约500ppm/℃ 6) 响应时间：≤0.3秒（设置数字滤波参数dL=0时） 7) 调节方式： 位式调节方式（回差可调） AI人工智能调节，包含模糊逻辑P

43、ID调节及参数自整定功能的先进控制算法。 8) 输出规格（模块化）： 继电器触点开关输出（常开+常闭）：250VAC/1A或30VDC/1A 可控硅无触点开关输出（常开或常闭）：100~240VAC/0.A（持续），2A（20mS瞬时，重复周期大于5S） SSR电压输出：12VDC/30mA（用于驱动SSR固态继电器） 可控硅触发输出：可触发5~500A的双向可控硅、2个单向可控硅反并联接或可控硅功率模块 线性电流输出：0~10mA或4~20mA可定义（安装X模块时输出电压≥10.5V；X4模块输出电压≥7V 9) 电磁兼容：IEC61000-4-4（电快速瞬变脉冲群），±4KV

44、/5KHz；IEC61000-4-5（浪涌），4KV 10) 隔离耐压：电源端、继电器触点及信号端相互之间≥2300VDC；相互隔离的弱点信号端之间≥600VDC 11) 电源：100~240VDC，-15%，+10%/50~60Hz；或24VDC，-15%+10% 12) 电源消耗：≤5W 13) 使用环境：温度-10~+60℃；湿度≤90%RH 四、 实验内容及步骤 1. 仪表的基本说明及操作： AI-708系列人工智能调节器为双屏：上屏（PV屏）与下屏（SV屏）。按键“”键启动仪表进入参数设置方式；按键“►”设定参数光标位移，小数点闪烁位为当前设定位；按键“▲、▼”设定参数

45、光标位加减。 1) 设置参数 上电后，仪表进入基本状态，在基本状态下按键并保持约2秒，即进入参数设定状态。在参数设置状态下按键，仪表将依次显示各参数，例如上限报警值HIAL、参数锁Loc等等，对于配置好并锁上参数锁的仪表，只出现操作工需要用到的参数（现场参数）。用◄、▼、▲等键可修改参数值。按◄键并保持不放，可返回显示上一级参数。先按◄键不放接着再按键可推出设置参数状态。如果没有按键操作，约30秒钟后会自动推出设置参数状态。如果参数被锁上，则只能显示被EP参数定义的现场参数（可由用户定义的，工作现场经常需要使用的参数及程序），而无法看到其它的参数。不过，至少能看到Loc参数显示出来。 2

46、) AI-708仪表现场参数设定 在设置仪表之中的部分使用参数前要先使仪表进行自整定。初次启动自整定时，可在仪表上电后的显示状态下，按◄键并保持约2秒钟，此时仪表SV屏将闪动显示“AT”字样，表明仪表已进入自整定状态。仪表自整定成功结束后，会将参数CtrL设置为3或4。这样今后无法从面板再按◄键启动自整定，可以避免人为的误操作再次启动自整定。因为设备中的仪表在设备出厂前都已经做过初次的自整定，所以以后需要自整定时，可以就、用将参数CtrL设置为2的方法进行启动自整定。（如有不明之处请参阅仪表说明书的P18页）。 按照下表设置仪表之中部分使用的参数。其中PV屏显示参数代号，SV屏显示参数具体

47、数值，设置时应参照仪表产品说明书，并结合具体使用情况而定，表内数值仅供参考。在本设备中部分参数没有用到或已经设置好，不需要修改，下表将注明“不可改”，例如信号的输入规格（Sn）本设备中为1~5V（Sn=33），所以在任何时候都不需要修改；部分参数在不同的实验环境之中需要修改，则注明“可改”例如输入平移的修正。 PV屏显示 SV屏显示 参数说明 备注 Ctrl 3 控制方式（注1） 可改 M5 50 保持参数 可改 P 10 速率参数 可改 t 50 滞后时间 可改 Sn 33 输入规格（输入为1~5V） 不可改 Dip 1 小数点位数（

48、注2） 不可改 dIL 0 输入量程下限设置 不可改 dIH 100.0 输入量程上限设置（注3） 不可改 Sc 0 输入平移修正 可改 OPt 4 输出方式（输出为4~20mA） 不可改 oPL 0 输出下限 不可改 oPH 100 输出上限 不可改 dL 1 输入数字滤波 不可改 Loc 808 参数修改级别（此时可选改现场参数） 不可改

49、CtrL、M5、P、t 4个参数的设定值为系统自整定时自动调整的。设置参数时尽量不要人为修改。（参数设置过程中有不明之处请参阅说明书的P21-36页） 3） 给定值的设定 在仪表显示状态时，即可通过按◄、▼或▲键来直接修改给定值。 注1：CtrL=0，位式调节；CtrL==1，允许从面板启动执行自整定功能；CtrL=2，启动自整定功能，自整定后自动设置为3或4；CtrL=3自整定结束后仪表自动进入该设置，此时不允许从面板启动自整定参数功能；CtrL=4，与3时基本相同，但其P参数定义为原来的10倍。 注2：温度显示仪表、液位显示仪表的小数位数均为0位。流量仪表的小数位数为3，所以此

50、处应为3。 注3：此处SV标示100是指显示温度的满量程；流量显示仪表此处为1.000。 ⒉仪表读数调校 1) 在实验台手动控制方式下，打开循环泵给上水箱加水至高于加热器的高度后给其加热，加热到一定温度后停止，（建议加热到40℃左右）用水银温度计测量出上水箱水温的测量值，并记下此时的仪表显示值。 2) 水银温度计测量值和仪表显示值的差值即为零点的迁移量，将该值写入现场参数中。 返回工作状态，观察这时测量值和仪表显示值是否一致。如不一致重复步骤1)、2)。 实验六、比例调节阀的校验 一、 实验目的 1. 了解比例阀的结构，工作过程与原理。 2. 掌握比例阀的校验方法

51、，理解其相关特性及性能指标含义。 二、 实验设备 TDCK-II型测控综合实验台。 三、 实验原理 比例调节阀将接收外部标准信号（0-10V或4-20mA，我们选用4-20mA）转换为脉宽调制（PWM）信号，可利用该脉宽调制信号使阀门的开度产生连续变化，从而调节介质流量的大小，实现对生产过程中流量控制。实质上阀门的开度变化随外部标准信号大小成线性关系，通过电位器，线圈电流的关键值可以根据所在场合的压力进行最佳调整：零点电位器用于调整控制信号下限的线圈电流使阀门开始打开，即刚好开始从阀座中提升阀芯；放大电位器用于设置I(U)特性的斜率以及最大电流可获得的流量。调节阀起始开度和最大开度对应

52、电流值已调整好，两个电位器无须再重新调整。 主要工作参数和功能：压力范围 0.5-10bar，连接螺口 G 3/8，阀体材质为黄铜，功耗 8W，Kv值（水） 1.4 m³/h，介质温度范围 –10～+90℃，最高温度环境 +55℃。 四、 实验内容与步骤 1. 打开手动阀1、2、15，并将开度调至最大（全开）位置，关闭其它所有手动阀。 2. 开启计算机，运行“TDCK-II型测控综合实验台实验”。 3. 进入“比例调节阀的校验”演示界面，将实验装置工作方式选择开关拨到计算机控制方式。 4. 点击按钮，观察实时流量值。在输入框中输入电流输入信号（注：比例阀的输入范围在5.5-8之间，

53、切勿超量程使用，易损坏。正常使用流量范围在0-0.42t/h,），待系统稳定后，记录此时比例阀的控制字，流量值和输入电流值。增加电流输入信号，使阀的开度为20%，待系统重新稳定后，记录比例阀的控制电流和流量值，直到阀门全开（100%）为止。最后得到一组关于比例阀的控制字和流量之间的关系，记录如下： 开度 20％ 40％ 60％ 80％ 100％ 输入 电流 流量 5. 以上的数据绘制出开度－流量关系曲线，即可得到调节阀正向流量特性。 五、 实验报告要求 1. 根据实验数据记录的结果，完成上表。 2. 数据处理并绘制比例

54、阀的开度与流量曲线。 3. 对曲线进行分析，得出阀体特性。 六、 实验思考题 1. 什么是调节阀的流通能力？ 2. 什么是调节阀的理想流量特性和工作流量特性？在实际工程设计中如何选用合适调节阀？ 实验七、单容上水箱特性的测试 一、 实验目的 1. 熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。 2. 根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定他们的参数。 二、 实验设备 TDCK-II测控综合实验台。 三、 实验原理 阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，给一个阶跃信号。 同时记录对象的输出数据或阶跃相应曲线，然后根据以给定对象模型

55、的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中各参数。 图解法是确定模型参数的一种实用方法，不同的模型结构有不同的图解方法。 单容水箱对象数学模型可用一阶惯性环节来近似描述时，常可用两点法直接求取对象参数。 单容水箱控制系统结构如图所示： 设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，出水阀V2固定于某一开度值。根据物料动态平衡的关系，求得： 在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得 式7－1 式中，T为水箱的时间常数（注意：阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），T＝R2*C，K= R2为过程的放大倍数，R2为V2阀的液阻，C为水

56、箱的容量系数。令输入流量Q1(S)＝R0/S，R0为常量，则输出液位的高度为： 当t=T时，则有：h(T)=K R0(1-e-1)=0.632K R0=0.632h(∞) 即： h(t)=KR0(1-e-t/T) 式7－2 当t →∞时，h(∞)＝KR0，因而有 图表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图7－2所示。当有实验求得图7－2所示的阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的63%对应的时间，就是水箱的时间常数T，该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，切线与稳态值的交点所

57、对应的时间就是时间常数T，其理论根据是： 式7－3 上式表示h(t)若以在原点时的速度h(∞)/T恒速变化，即只要花T秒时间就可达到稳态值h(∞)。 四、 实验内容与步骤 1. 在水箱有一定水位的情况打开手动阀1，手动阀2，手动阀10至最大开度，手动阀15开到适当开度，关闭其它所有手动阀。 2. 开启计算机，运行“TDCK-II测控综合实验台实验”，将实验装置工自衡作方式选择开关拨到计算机控制方式。进入“上水箱特性实验”演示界面，然后点击 按钮，迅速调节手动阀2的开度,使其始终进水流量比出水流量大（不需精确，目测就可以），开始进行实验。（因为水箱高度

58、有限，若水位超出200mm，请减小阀2的开度，再重新做实验2）。 3. 观察系统的被调量-----水箱的水位是否趋于平衡状态。若已达到平衡状态，应记录此时进水流量值以及水箱水位的高度h 的读数值并填入下表。 流量输出 水箱水位高度h t/h mm 4. 减少手动阀2的开度，直到进入新的平衡状态。再次记录测量数据，并填入下表： 流量输出 水箱水位高度h t/h mm 5. 计算时间常数T，然后再做步骤3和4，得出T进行比较。 五、 实验报告要求 1. 作出一阶环节的阶跃响应曲线。 2. 根据实验原理中所述的方法，求出一阶环节的相关参数。 六、 实

59、验思考题 1. 在做本实验时，为什么不能任意变化上水箱的进水口的阀门开度大小？ 2. 用两点法和用切线对同一对象进行参数测试，它们各有什么特点？ 3. 对于快速响应的对象，如何实现使输入信号成为真实的阶跃信号？ 实验八、单容液位(上水箱)PID控制实验(TDZT) 一、 实验目的 1. 熟悉单回路控制系统构成及其特点。 2. 熟悉临界比例度法整定的PID参数方法。 3. 掌握PID参数对控制系统质量指标的影响。 二、 实验设备 TDCK-II测控综合实验台。 三、 实验原理 上图是一个单回路反馈控制系统，控制的任务是使水箱液位等于给定值所要求的高度；减小或消除

60、来自系统内部或外部扰动的影响。当一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。因此，当一个单回路系统组成好以后，如何整定好控制器参数是一个很重要的实际问题。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。 一般言之，用比例(P)调节器的系统是一个有差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分(PI)调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ、调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。比

61、例积分微分(PID)调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能(快速性、稳定性等)。在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如下图中的曲线①、②、③所示。 四、 实验内容与步骤 1. 比例(P)调节器控制 1) 打开（全开）手动阀1，手动阀2（全开），手动阀15（一半左右），关闭其它所有手动阀。其中被控对象是上水箱，被控制量是该水箱的液位高度h1。 2) 在教师的指导下，开启计算机，运行“TDCK-II测控综合实验台实验”，进入“单容液位（上小水箱）PID控制实验（TDZT）”演示界面，将实验装置工作方式选择开

62、关拨到计算机控制方式。按不同的控制方式设定相应的控制参数P、I、D，为记录过渡过程曲线作好准备。 3) 把调节器的比例系数（P）置为较小数，积分时间常数设置最大（设置为零即可），微分时间常数设置为零，即此时调节器为比例调节(P)。 4) 点击 按钮，观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本稳定于给定值后，系统即投入闭环运行。待系统稳定后，对系统加扰动信号(在纯比例的基础上加扰动，可通过改变设定值实现，扰动一般为设定值5%～20%)。记录曲线在经过几次波动稳定下来后，系统有稳态误差，并记录余差大小。 5) 增大P，重复步骤4)，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。 6) 减小P，重复步骤4

63、)，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。 7) 选择合适的P，可以得到较满意的过渡过程曲线。改变设定值，同样可以得到一条过渡过程曲线。 2. 比例积分调节器(PI)控制 1) 在比例调节实验的基础上，加入积分作用，即积分时间常数设置为一数值，观察被控制量是否能回到设定值，以验证PI控制下，系统对阶跃扰动无余差存在。 2) 固定比例度δ值(比例系数P的倒数，即1/P)，改变PI调节器的积分时间常数值,然后观察加阶跃扰动后被调量的输出波形，并记录不同值时的超调量。 不同时的超调量 积分时间常数 大 中 小 超调量 3) 选择适合的δ和值，使系统对阶跃输入扰动的输

64、出响应为一条较满意的过渡过程曲线。此曲线可通过改变设定值来获得。 3. 比例积分微分调节(PID)控制 1) 在PI调节器控制实验的基础上，再引入适量的微分作用，即把D打开然后加上与前面实验幅值完全相等的扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线，并与实验2.PI控制下的曲线相比较，由此可看到微分D对系统性能的影响。 2) 选择适合的δ、和，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线。 4. 用临界比例度法整定调节器的参数 在现实应用中，PID调节器的参数常用下述实验的方法来确定。用临界比例度法去整定PID调节器的参数是既方便又实用的。它的具体做法是： 1) 先将调节器的积分时间TI置于

65、无穷大，微分时间TD置于零，比例度δ置于较大的数值，使系统投入闭环运行。 2) 系统稳定后，给系统设定值施加一个5%～15%的阶跃扰动，并同时减小调节器的比例度δ，观察被调量变化的动态过程。直至输出响应曲线呈现等幅振荡为止。 3) 被调量作等幅振荡时，此时的比例度δ就是临界比例度，用表示，相应的振荡周期就是临界周期。据此，按下表可确定PID调节器的三个参数δ、和。 图10－3：具有周期的等幅振荡 用临界比例度法整定PID调节器的参数 调节器参数 调节器名称 (S) (S) P 2 PI 2.2 /1.2

66、PID 1.6 0.5 0.125 必须指出，表格中给出的参数值是对调节器参数的一个粗略设计，因为它是根据大量实验而得出的结论。若要得到更满意的动态过程(例如：在阶跃作用下，被调参量作4：1地衰减振荡)，则要在表格给出参数的基础上，对δ、(或)作适当调整。 五、 实验报告要求 1. 记录实验数据，分析实验曲线。 2. 作出P调节控制时，不同比例度（δ）值下的阶跃响应曲线。 3. 作出PI调节控制时，不同比例度（δ）、Ti值下的阶跃响应曲线。 4. 作出PID调节控制时阶跃响应曲线,并分析微分D的作用。 5. 用临界比例度法确定适合的PID参数。 六、 实验思考题 1. 在本实验中，控制系统的构成及主要特点？ 2. PID参数整定应遵循那些原则？ 实验九、S7－200 PLC与TDZT组态软件通讯实验 一、 实验目的 1. 了解S7－200 PLC可编程控制器的数字量、模拟量输入输出控制功能。 2. 熟悉PLC可编程软件、TDZT组态软件的使用。 3. 熟悉并掌握S7－200 PLC与TDZT组态软件的通讯方法。 二、 实验